UNIVERZA V LJUBLJANI ZDRAVSTVENA FAKULTETA
RADIOLOŠKA TEHNOLOGIJA, 1. STOPNJA
Timotej Kidrič, Rok Sirk
ULTRAZVOČNI FANTOMI ZA SIMULACIJO ČLOVEŠKEGA TKIVA
diplomsko delo
TISSUE MIMICKING ULTRASOUND PHANTOMS
diploma work
Mentor: izr. prof. dr. Janez Žibert Somentor: asist. Sašo Arnuga
Recenzentka: pred. dr. Valerija Žager Marciuš
ZAHVALA
Iskreno se zahvaljujeva mentorju, izr. prof. dr. Janezu Žibertu za vse strokovne usmeritve pri pisanju diplomskega dela. Posebna zahvala je namenjana somentorju, asist. Saši Arnugi za vso strokovno pomoč, nasvete, usmerjanje, trud ter čas, ki nama ga je namenil. Zahvala gre tudi pred. dr. Valeriji Žager Marciuš za recenzijo.
Zahvaljujeva se tudi Zdravstveni fakulteti, ki nama je omogočila izvedbo meritev z ultrazvočnim aparatom.
Največja zahvala pa gre vsem najinim najbližjim, ki so naju spodbujali in podpirali tekom študija ter pri izdelavi diplomskega dela.
IZVLEČEK
Uvod: Na področju diagnostičnega ultrazvoka obstajajo fantomi za kontrolo kakovosti in kalibracijo opreme. Le-ti se uporabljajo tudi za izobraževanje, raziskovalno delo in za pomoč pri razvoju novih diagnostičnih tehnik. S pomočjo fantomov poenostavimo in standardiziramo slikovno okolje. Fantomi so sestavljeni iz materialov, ki posnemajo tkiva, znotraj katerih so lahko vgrajeni tudi preprosti ali zapleteni objekti, ki posnemajo različne strukture. Komercialni fantomi so običajno zasnovani za široke trge in jih zaradi tega ni mogoče prilagajati. Iz tega razloga se tudi oblikujejo in izdelujejo fantomi po meri na zahtevo specifičnih namenov, drugačnih dimenzij ali zaradi znižanja stroškov. Namen:
Namen je poiskati fantome in materiale, primerne za simulacijo človeškega tkiva iz literature in z eksperimentalnim delom na Zdravstveni fakulteti oceniti ultrazvočne slike izbranih materialov. Metode dela: V diplomskem delu smo uporabili deskriptivno metodo s pregledom literature, ki je trajal od 22. 10. 2020 do 16. 3. 2021. Pri eksperimentalnem delu smo z ultrazvočnim aparatom SonoScape E2 in s pripadajočima linearno ter konveksno sondo preizkušali izbrane materiale. Rezultati: Na podlagi ugotovitev iz pregleda literature smo za prikaz izbrali tofu, želatino, meso, vodo in ultrazvočni gel. Pri fantomu tofuja dobimo homogeno sliko. Pri želatini in mesu je na sliki viden mešan signal. Pri vodi in ultrazvočnem gelu pa je slika nehomogena. Vsi izbrani materiali so lahko dostopni z izjemo ultrazvočnega gela. Njihova slabost je v obstojnosti zaradi kratkega roka uporabe in težje ponovljivosti izdelave fantomov. Pri vseh materialih so se pojavili artefakti. Razprava in zaključek:
Ugotovili smo, da je meso, izmed vseh izbranih materialov, najprimernejše za simulacijo človeškega tkiva, predvsem zaradi podobne strukture. Medtem ko sta voda in ultrazvočni gel najmanj primerna. Za pridobitev optimalnih slik in zmanjšanja artefaktov bi morali parametre slikanja prilagajati.
Ključne besede: ultrazvok, ultrazvočni fantomi, materiali, posnemanje tkiv
ABSTRACT
Introduction: In the field of diagnostic ultrasound, there are phantoms for quality control and calibration of equipment, and they are also used for education, research work, and to help develop new diagnostic techniques. With the help of phantoms, we simplify and standardize the image environment. Phantoms consist of materials that mimic tissues, within which simple or complex objects that mimic different structures can also be embedded.
Commercial phantoms are usually designed for wide markets and therefore cannot be customized. For this reason, custom phantoms are also designed and manufactured on request for specific purposes, different dimensions or to reduce costs. Purpose: The purpose is to find phantoms and materials suitable for the simulation of human tissue from the literature and to evaluate ultrasound images of selected materials through experimental work at the Faculty of Health Sciences. Methods: In the diploma work we used a descriptive method with a review of the literature, which lasted from 22. 10. 2020 to 16. 3. 2021. In the experimental work with the ultrasonic device SonoScape E2 and the associated linear and convex probe, we tested selected materials. Results: Based on the findings from the literature review, we selected tofu, gelatin, meat, water, and ultrasonic gel. In the phantom of tofu we get a homogeneous picture. In the case of gelatin and meat, a mixed signal is visible in the figure. In water and ultrasound gel, however, the picture is inhomogeneous.
All selected materials are easily accessible with the exception of ultrasonic gel. Their weakness is in durability due to the short shelf life and more difficult reproducibility of phantom manufacturing. Artifacts appeared in all materials. Discussion and conclusion:
We found that meat, of all the selected materials, is the most suitable for simulating human tissue, mainly due to its similar structure. Meanwhile, water and ultrasound gel are the least suitable. In order to obtain optimal images and reduce artifacts, the imaging parameters should be adjusted.
Keywords: ultrasound, ultrasonic phantoms, materials, tissue mimicking
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
1.1 Teoretična izhodišča ... 3
1.1.1 Visokofrekvenčne ultrazvočne sonde ... 5
1.1.2 Ultrazvočna kontrastna sredstva ... 6
1.1.3 Kakovost slike ... 6
1.1.4 Artefakti ... 11
1.1.5 Kontrola kakovosti ... 14
2 NAMEN ... 20
3 METODE DELA ... 21
3.1 Metode pregleda ... 21
3.2 Eksperimentalni del ... 22
4 REZULTATI ... 24
4.1 Članki, uporabljeni za pregled literature ... 24
4.2 Vrste ultrazvočnih fantomov ... 27
4.3 Materiali za ultrazvočne fantome ... 33
4.3.1 Voda in ultrazvočni geli ... 38
4.3.2 Tofu ... 38
4.3.3 Živalski modeli ... 39
4.3.4 Modeli na osnovi želatine in agarja ... 40
4.3.5 Balistična želatina ... 40
4.3.6 Nadomestki tkiva na osnovi magnezijevega silikata ... 41
4.3.7 Nadomestki tkiva na osnovi oljnega gela ... 42
4.3.8 Nadomestki tkiva na osnovi polivinil alkohola ... 42
4.3.9 Trdi materiali in fantomi... 43
4.4 Testiranje materialov za ultrazvočne fantome ... 43
4.4.2 Želatina ... 46
4.4.3 Meso ... 48
4.4.4 Voda ... 51
4.4.5 Ultrazvočni gel ... 53
5 RAZPRAVA ... 56
6 ZAKLJUČEK ... 59
7 LITERATURA IN DOKUMENTACIJSKI VIRI ... 60
KAZALO SLIK
Slika 1: Prikaz širjenja transvezralnega valovanja, kjer se delci premikajo pravokotno na
smer širjenja valovanja ... 1
Slika 2: Prikaz širjenja vzdolžnega oziroma longitudinalnega vala, kjer se gibanje delcev uskladi s smerjo gibanja, kar povzroči pasove visokega in nizkega tlaka ... 2
Slika 3: B-način slikanja. Dvodimenzionalno (2-D) sliko v realnem času ustvarijo ultrazvočni impulzi, poslani po vrsti zaporednih črt skeniranja. Vsaka črta optičnega branja doda sliko, pri čemer nastane dvodimenzionalni prikaz odmevov predmeta, ki ga slikamo 4 Slika 4: Prikaz glavnih komponent ultrazvočne sonde ... 6
Slika 5: Aksialna (osna) ločljivost ... 7
Slika 6: (A) Nizkofrekvenčni pretvornik z dolgo prostorsko dolžino impulza in nizko aksialno ločljivostjo. (B) Visokofrekvenčni pretvornik s kratko dolžino impulza in visoko aksialno ločljivostjo ... 8
Slika 7: Lateralna ločljivost ... 8
Slika 8: Višinska ločljivost. ... 9
Slika 9: (A, B) Transezofagealna ehokardiografija slika levega ventrikla (LV), desnega ventrikla (RV), levega atrija (LA) in desnega atrija (RA). Slika A je visoko kontrastna zaradi večjega stiskanja in s tem ozkega dinamičnega razpona. Slika B je nizko kontrastna zaradi manjšega stiskanja in s tem širokega dinamičnega razpona ... 10
Slika 10: Aqua barva za izboljšanje kontrasta slike proksimalne ascendentne aorte, pridobljene z epiaortalnim slikanjem med kardiokirurgijo. ... 10
Slika 11: Diagram, ki prikazuje artefakt reverberacije. ... 11
Slika 12: Diagram, ki prikazuje artefakt zrcaljenja. ... 12
Slika 13: Diagram, ki prikazuje lomni artefakt. ... 12
Slika 14: Diagram, ki prikazuje artefakt akustične sence ... 13
Slika 15: Vzorec svetlih vzporednih prog, ki je posledica večkratnega odboja UZ signala od zraka... 16
Slika 16: Opustitev vzorca odmeva v zraku, potrjena s preskusom sponke. Intenzivnost odmevnega vzorca s sponke se zmanjša na mestu osipa, kar kaže na nedelujoč element... 17
Slika 17: Razslojevanje. Vzorec odmeva na desni se zdi moten zaradi delnega ločevanja plasti znotraj sonde ... 17 Slika 18: Odmev v zraku, ki kaže na neenakomerno debelino leče, prikazan z meritvami na
Slika 19: Meritev (a) globine odmeva (puščica prikazuje najgloblje viden odmev); (b) prag odmeva (puščica prikazuje prvotni položaj najglobljega odmeva, polje označuje zabeleženo vrednost ojačanja, pri kateri odmev izgine); (c) prag hrupa (polje označuje zabeleženo
vrednost ojačanja, pri kateri hrup izgine) ... 19
Slika 20: Ultrazvočni aparat SonoScape E2 ... 22
Slika 21: Večnamenski fantom podjetja CIRS za splošno oceno kontrole kvalitete... 28
Slika 22: Gray Scale fantom podjetja CIRS za oceno ločljivosti različnih tarč po velikosti, globini in kontrastnosti ... 29
Slika 23: Fantom uniformnosti podjetja CIRS ... 29
Slika 24: Fantom elastičnosti QA ... 30
Slika 25: UZ fantom ščitnice ... 30
Slika 26: Fantom ECHOZY za vadbo ultrazvoka trebuha ... 31
Slika 27: UZ fantom skrotuma ... 31
Slika 28: Dopplerjev strunski fantom ... 32
Slika 29: Dopplerjev fantom pretoka ... 32
Slika 30: Vodni fantom. (A) Model lumbosakralne hrbtenice, potopljen v vodo in prekrit z mrežico za simulacijo človeške kože. (B) Ultrazvočna slika lumbosakralne hrbtenice, potopljene v vodo. Ehogenost ozadja je blizu nič ... 38
Slika 31: Model tofu, kjer sta pravokotno skozi usmerjeni dve leseni palici, ki odražata živec (*) in žilo (**) ... 39
Slika 32: Primer modela pečenke z vstavljeno olivo ... 39
Slika 33: Primer fantoma iz želatine s kokicami in grozdjem ... 40
Slika 34: Model agarja z dodanim barvilom ... 40
Slika 35: Komercialno dostopna balistična želatina ... 41
Slika 36: Magnezijev silikat ... 41
Slika 37: Fantom na osnovi oljnega gela ... 42
Slika 38: Fantom na osnovi polivinil alkohola (PVA) ... 42
Slika 39: Fantom tofuja z linearno sondo in ultrazvočna slika ... 44
Slika 40: Fantom tofuja z linearno sondo z vstavljeno iglo in ultrazvočna slika ... 44
Slika 41: Fantom tofuja s konveksno sondo in ultrazvočna slika... 45
Slika 42: Fantom tofuja s konveksno sondo z vstavljeno iglo in ultrazvočna slika ... 45
Slika 43: Fantom želatine z linearno sondo in ultrazvočna slika ... 46
Slika 44: Ultrazvočna slika fantoma želatine s konveksno sondo ... 46
Slika 46: Fantom želatine s konveksno sondo z vstavljeno iglo in ultrazvočna slika ... 47
Slika 47: Fantom mesa z linearno sondo in ultrazvočna slika ... 48
Slika 48: Fantom mesa z linearno sondo z vstavljeno iglo in ultrazvočna slika ... 48
Slika 49: Fantom mesa s konveksno sondo in ultrazvočna slika ... 49
Slika 50: Ultrazvočna slika fantoma mesa s konveksno sondo z vstavljeno iglo ... 49
Slika 51: Fantom mesa z linearno sondo z vstavljeno olivo in ultrazvočna slika ... 50
Slika 52: Ultrazvočna slika fantoma mesa s konveksno sondo z vstavljeno olivo ... 50
Slika 53: Fantom vode z linearno sondo in ultrazvočna slika ... 51
Slika 54: Fantom vode s konveksno sondo in ultrazvočna slika ... 51
Slika 55: Fantom vode z linearno sondo z vstavljenimi olivami in ultrazvočna slika ... 52
Slika 56: Fantom vode s konveksno sondo z vstavljenimi olivami in ultrazvočna slika .... 52
Slika 57: Fantom ultrazvočnega gela z linearno sondo in ultrazvočna slika ... 53
Slika 58: Fantom ultrazvočnega gela s konveksno sondo in ultrazvočna slika ... 53
Slika 59: Fantom ultrazvočnega gela z linearno sondo s vstavljenima olivama in ultrazvočna slika ... 54
Slika 60: Ultrazvočna slika fantoma ultrazvočnega gela s konveksno sondo s vstavljeno olivo ... 54
KAZALO TABEL
Tabela 1: Članki, uporabljeni za pregled literature in njihove glavne značilnosti ... 24 Tabela 2: Nekaj primerov QA fantomov ... 27 Tabela 3: Akustične lastnosti nekaterih tkiv... 34 Tabela 4: Materiali, ki se uporabljajo kot nadomestki mehkih tkiv, opisani s prednostmi ter slabostmi ... 35 Tabela 5: Akustične lastnosti nadomestkov trdega tkiva ... 43 Tabela 6: Parametri ocenjevanja materialov ... 55
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC IN OKRAJŠAV
2D dvodimenzionalno
B CIRS D DR FR GN PVA PWR QA SoS UZ Z
svetlost (angl. brightness)
Computerized Imaging Reference Systems globina (angl. depth)
dinamični razpon (angl. dynamic range) hitrost sličic (angl. frame rate)
(angl. gain) polivinil alkohol moč (angl. power)
zagotavljanje kakovosti (angl. quality assurance) hitrost zvoka (angl. speed of sound)
ultrazvok
akustična impedanca
1 UVOD
Zvok je mehansko valovanje, ki se širi v dani snovi. Gre za prenos energije iz ene točke proti drugi. Ko zvočni val potuje skozi medij, se energija širi s trki sosednjih delcev, ki nihajo okoli svoje ravnovesne lege. Zvočni valovi so lahko vzdolžni oziroma longitudinalni ali prečni oziroma transverzalni – to je odvisno od njihove smeri nihanja glede na smer potovanja zvočne energije skozi medij. Pri prečnem valovanju se delci premikajo pravokotno v smer širjenja valovanja. Opisano prikazuje Slika 1. Prečno se zvočni valovi lahko širijo le po trdnih snoveh, medtem ko se vzdolžni valovi širijo po vseh materialih (Powles et al., 2018). Tako se prenaša tudi ultrazvok, ki je longitudinalno valovanje, skozi mehka tkiva in tekočine v telesu. Na Sliki 2 lahko vidimo, da pri takem valovanju delci v mediju nihajo v smeri širjenja valovanja. Kjer se sosednji delci približujejo, nastajajo zgoščenine; kjer se oddaljujejo, pa nastajajo razredčine. Tako kot v primeru prečnega valovanja tudi tukaj v mediju ni neto gibanja. Prenašajo se samo motnje in z njimi povezana energija. Zvočni valovi, ki so prikazani na Sliki 2, nastanejo zaradi izmenjave kinetične energije molekul materiala s potencialno energijo, shranjeno zaradi elastičnega stiskanja in raztezanja materiala (Martin, 2019).
Slika 1: Prikaz širjenja transverzalnega valovanja, kjer se delci premikajo pravokotno na smer širjenja valovanja (vir:https://bit.ly/3tssELL).
2
Slika 2: Prikaz širjenja vzdolžnega oziroma longitudinalnega vala, kjer se gibanje delcev uskladi s smerjo gibanja, kar povzroči pasove visokega in nizkega tlaka (vir: Hoskins et
al., 2019).
Vzdolžni valovi so pomembni pri običajnem ultrazvočnem slikanju in pri Dopplerjevi ultrazvočni preiskavi, medtem ko se prečni valovi merijo v strižnih valovih pri elastografiji (Merritt, 2019).
Ultrazvok je ena najpogosteje uporabljenih slikovnih metod v medicinski diagnostiki.
Uvrščamo jo med interaktivne slikovne tehnike, pri kateri operater ultrazvočno sondo drži v stiku s pacientom. Tako z visokofrekvenčnimi zvočnimi valovi omogoča vizualizacijo različnih tkiv v telesu v realnem času (Merritt, 2019).
Na področju diagnostičnega ultrazvoka obstajajo fantomi za kontrolo kakovosti in kalibracijo opreme. Fantomi se uporabljajo tudi za primerjavo ultrazvočnih sistemov, za izobraževanje in usposabljanje za delo z ultrazvokom, za primerjavo z računalniškimi modeli, raziskovalno delo in za pomoč pri razvoju novih ultrazvočnih pretvornikov, sistemov oziroma diagnostičnih tehnik. S pomočjo fantomov lahko pridemo do idealiziranih tkivnih modelov z natančno opredeljenimi akustičnimi lastnostmi, merami in notranjimi značilnostmi, s čimer se poenostavi in standardizira slikovno okolje (Culjat et al., 2010).
Fantomi so sestavljeni iz materialov, ki posnemajo tkivo, pri čemer ima večina fantomov preprosto homogeno notranjo strukturo. Znotraj fantomov so lahko vgrajeni tudi preprosti ali zapleteni objekti, ki posnemajo različne strukture. Fantome, ki natančno posnemajo heterogene organe ali organske sisteme, pogosto imenujemo antropomorfni fantomi. V
prodaji je veliko fantomov, ki posnemajo številne organe in organske sisteme, vendar so komercialni fantomi običajno zasnovani za široke trge in jih zato ni mogoče prilagajati. Iz tega razloga se tudi oblikujejo in izdelujejo fantomi po meri na zahtevo specifičnih namenov, drugačnih dimenzij ali zaradi znižanja stroškov (Culjat et al., 2010).
V diplomskem delu bomo raziskovali ultrazvočne fantome za simulacijo človeškega tkiva.
Diplomsko delo smo v ožjem smislu razčlenili na dva dela. V prvem delu bomo s pregledom literature ugotovili, kateri materiali so bolj ali manj primerni za simulacijo človeškega tkiva.
Drugi del je namenjen eksperimentalnemu delu na Zdravstveni fakulteti.
1.1 Teoretična izhodišča
Ultrazvok je mehansko valovanje, ki ima višjo frekvenco, kot jo lahko zazna človeško uho, in sicer nad 20 kHz (Merritt, 2018). Wilhjelm in sodelavci (2016) navajajo, da se frekvenčno območje ultrazvoka v medicinski diagnostiki najpogosteje giblje med 1 in 20 MHz.
Pri ultrazvočnih preiskavah ni prisotnega ionizirajočega sevanja, zato je ultrazvok najprimernejši način slikanja v pediatriji in porodništvu. Ultrazvok je najbolj uporaben za pregledovanje mehkih tkiv, katerih podrobnosti ne moramo prikazati z običajnimi rentgenskimi tehnikami. Pogosto se uporablja v področju vratu, dojk, srca, abdomna in medenice. Uporabljamo ga tudi za prikaz mišično-skeletnih struktur, kit in sklepov. Z ultrazvokom lahko ocenimo tudi pretok in hitrost krvi v arterijah ter venah s pomočjo Dopplerjevega učinka (Merritt 2018, Martin, 2009).
Osnovna in najpomembnejša metoda za prikaz ultrazvočne slike je t.i. B-način (B za angl.
Brightness) (Slika 3). Slika v B-načinu je dvodimenzionalna in predstavlja meje med tkivi ter organi v telesu. Sliko sestavljajo odmevi, ki nastanejo z odbojem ultrazvočnih valov na mejah med tkivi in z razprševanjem zaradi majhnih nepravilnosti znotraj tkiv. Vsak odmev je prikazan na točki slike, kar ustreza relativnemu položaju njegovega izvora znotraj preseka telesa. Jakost signala, ki se odbije nazaj do sonde, se prikaže z različnimi odtenki sivine, odvisno od ehogenosti tkiv (Martin, 2019).
4
Slika 3: B-način slikanja. Dvodimenzionalno (2-D) sliko v realnem času ustvarijo ultrazvočni impulzi, poslani po vrsti zaporednih črt skeniranja. Vsaka črta optičnega branja doda sliko, pri čemer nastane dvodimenzionalni prikaz odmevov predmeta, ki ga
slikamo (vir: Merritt, 2018).
Ehogenost nam pove, kakšne so razlike v kontrastu. Glede na ehogenost lahko strukture označimo kot:
• hiperehogene (območje, ki ima povečano svetlost v primerjavi s sosednjimi strukturami – belo obarvano);
• hipoehogene (območje, ki ima zmanjšano svetlost v primerjavi s sosednjimi strukturami – različni odtenki sive obarvanosti);
• izoehogene (območje, ki ima enako ehogenost kot sosednje strukture);
• anehogene (brez odmeva – črno obarvano) (Berg et al., 2008).
Hitrost širjenja zvočnega vala je odvisna od lastnosti medija, v katerem potuje. Lastnosti materiala, ki določata hitrost zvoka, sta gostota in togost (Powles et al., 2018).
Na meji tkiv podobne gostote, kot so jetra in ledvice, se odbije manj kot 1 % energije ultrazvočnega vala. Na meji med mehkim tkivom in zrakom ali kostjo se skoraj vsa energija vala odbije, zato ni podatkov o tkivih, ki ležijo globlje od te točke. To pojasnjuje, zakaj ultrazvok na splošno ni koristen za oceno kosti, črevesja ali pljuč. To pojasnjuje tudi, zakaj je potreben gel med sondo in pacientovo kožo ter zakaj se je potrebno izogibati zračnim mehurčkom za zmanjšanje odboja na stiku kože s sondo (Powles et al., 2018).
Količina energije, ki se odraža na vmesniku med tkivi, je odvisna od razlike v zvočni impedanci teh tkiv. Akustična impedanca (Z) tkiva je njegov produkt gostote in hitrosti, s katero potuje zvok. Večja kot je razlika v zvočni impedanci med dvema materialoma na vmesniku, več energije se bo odražalo in svetlejša bo nastala slika (Powles et al., 2018).
Ko zvočni val prehaja skozi telo, postopoma izgublja svojo energijo v procesu, ki se imenuje slabljenje. Vzroki za to so: odboj, lom, sipanje in absorpcija (Powles et al., 2018).
1.1.1 Visokofrekvenčne ultrazvočne sonde
Visokofrekvenčne sonde uporabljamo za ustvarjanje ultrazvoka in snemanje odmevov, ki ga ustvarja medij. Ker morajo ultrazvočne sonde ustvarjati mehanske vibracije v megahercih, se uporabljajo piezoelektrični materiali, ki lahko vibrirajo s tako veliko hitrostjo. Glavni del sonde je torej piezoelektrični element v obliki ploščice, ki proizvaja vibracije z uporabo električnega impulza preko elektrode na vsaki strani ploščice. Ti elementi so sposobni spremeniti eno vrsto energije v drugo, mehansko v električno in obratno. Ko piezoelektričnemu elementu dovedemo električno napetost, se njegova debelina poveča ali zmanjša, odvisno od polarnosti napetosti. Priključena izmenična napetost povzroči, da se debelina ploščice izmenično spreminja z enako frekvenco kot napetost. Nihajoči kristal kot nihajoča opna oddaja ultrazvok, ko je frekvenca priključene napetosti večja od 20 kHz. Prav tako odmev, ki se vrača v piezoelektrični element, povzroči vibracijo in ustavi električni potencial, ki tvori dvodimenzionalno sliko pregledovane snovi. Več kot je energije v povratnih odmevih, svetlejša je. V sodobnih kliničnih skenerjih sondo sestavlja na stotine majhnih piezoelektričnih elementov, razporejenih kot enodimenzionalni niz, zapakirani v majhno ohišje. Oblika te črte je lahko linearna ali konveksna (Wilhjelm et al., 2016; Powels et al., 2018).
6
Slika 4: Prikaz glavnih komponent ultrazvočne sonde (vir:https://bit.ly/3vK9dzF).
1.1.2 Ultrazvočna kontrastna sredstva
Kontrastna sredstva se uporabljajo v vseh slikovnih načinih za povečanje občutljivosti slikovne tehnike s spreminjanjem kontrasta slike med različnimi strukturami. Ultrazvočna kontrastna sredstva so sestavljena iz raztopine, napolnjene z mikro mehurčki. Vbrizgavanje kontrastnih mikro mehurčkov in opazovanje njihovega dinamičnega prehajanja v realnem času v zaporedju ultrazvočne slike lahko znatno izboljšata občutljivost in diagnostično moč ultrazvočnega slikanja (Powles et al., 2018).
1.1.3 Kakovost slike
Kakovost ultrazvočne slike določajo naslednji dejavniki: prostorska, kontrastna in časovna ločljivost ter odsotnost določenih artefaktov (Merritt, 2018).
Prostorska ločljivost
Sposobnost razlikovanja med dvema sosednjima tesno povezanima objektoma kot ločenima strukturama določa prostorska ločljivost ultrazvočne naprave. Prostorsko ločljivost
obravnavamo v treh ravninah z različnimi determinantami za vsako od njih. Tako poznamo aksialno ali osno ločljivost, lateralno in višinsko ločljivost (Merritt, 2018).
Aksialna (osna) ločljivost
Aksialna ločljivost (Slika 5) je najmanjša razdalja, kjer je mogoče razlikovati med dvema strukturama, ki ležita vzporedno s smerjo ultrazvočnega snopa. Matematično je enaka polovici prostorske dolžine pulza (Merritt, 2018).
Slika 5: Aksialna (osna) ločljivost (vir:https://bit.ly/2SpUg7v).
Prostorska dolžina impulza je produkt števila ciklov v pulzu ultrazvoka in valovne dolžine (Slika 6A). Večina impulzov je sestavljena iz dveh ali treh ciklov, katerih število je določeno z dušenjem piezoelektričnih elementov po vzbujanju. Visoko dušenje namreč zmanjša število ciklov v impulzu in s tem skrajša prostorsko dolžino impulza (Slika 6B). Valovno dolžino impulza določa frekvenca pretvornika. Pretvorniki visoke frekvence imajo tanke piezoelektrične elemente, ki ustvarjajo impulze s kratko valovno dolžino (Slika 6B).
Valovna dolžina je enaka dvakratni debelini elementov v pretvorniku (Ng, Swanevelder, 2011). Krajša kot je valovna dolžina ultrazvoka, torej višja kot je frekvenca, boljša je aksialna ločljivost (Merritt, 2018).
8
Slika 6: (A) Nizkofrekvenčni pretvornik z dolgo prostorsko dolžino impulza in nizko aksialno ločljivostjo. (B) Visokofrekvenčni pretvornik s kratko dolžino impulza in visoko
aksialno ločljivostjo (vir: Ng, Swanevelder, 2011).
Lateralna ločljivost
Lateralna ločljivost (Slika 7) se nanaša na ločljivost v ravnini, ki je pravokotna na ultrazvočni snop in vzporedna z ultrazvočno sondo, določena pa je po širini ultrazvočnega snopa. Je sposobnost razlikovanja dveh struktur, ki ležita druga ob drugi na isti globini. Uravnava se z elektronskim fokusiranjem. Ožji kot je snop ultrazvočnih žarkov, boljša je lateralna ločljivost (Merritt, 2018; Ng, Swanevelder, 2011; Powels et al., 2018).
Slika 7: Lateralna ločljivost (vir:https://bit.ly/33jhcrl).
Višinska ločljivost
Višinska ločljivost (Slika 8) se nanaša na debelino rezine v ravnini, ki je pravokotna na snop in sondo. Pomembna dejavnika kakovosti slike sta širina in debelina ultrazvočnega snopa.
Prevelika širina in debelina žarka omejita zmožnost razločevanja majhnih struktur in drobne strukture se zabrišejo. Odvisna je od sestave sonde in je s strani uporabnika ni mogoče regulirati (Merritt, 2018).
Slika 8: Višinska ločljivost (vir:https://bit.ly/3enbCuv).
Kontrastna ločljivost
Sposobnost razlikovanja med različnimi amplitudami odmeva sosednjih struktur opisujemo kot kontrastno ločljivost. Kontrastno ločljivost lahko izboljšamo na različnih stopnjah postopka slikanja, kar vključuje stiskanje, pomnilnik slike in uporabo kontrastnih sredstev (Ng, Swanevelder, 2011). Üstüner in Holley (2003) navajata, da se kontrastna ločljivost najpogosteje nanaša na sposobnost ločevanja ehogenosti med sosednjimi strukturami.
Pulzi ultrazvoka se razlikujejo po amplitudi in s tem po moči. Velikost največje do najnižje moči je izražena logaritmično v območju decibelov, imenovanem dinamični razpon.
Dinamični razpon lahko zmanjšamo s signalnim procesiranjem (Ng, Swanevelder, 2011).
V signalnem procesiranju pride do stiskanja, s čimer se zmanjša dinamični razpon, torej se zmanjša število decibelov dinamičnega območja. Večje stiskanje z ozkim dinamičnim razponom ustvari visoko kontrastno sliko (Slika 9A). Nasprotno, manjše stiskanje s širokim dinamičnim razponom (npr. 60 decibelov) nam da sliko z nizko kontrastno sliko in s
10
številnimi sivimi odtenki (Slika 9B). Ločljivost kontrasta lahko izboljšamo z dodajanjem barvnih odtenkov (Slika 10), ki jih človeško oko lažje razlikuje (Ng, Swanevelder, 2011).
Slika 9: (A, B) Transezofagealna ehokardiografija slika levega ventrikla (LV), desnega ventrikla (RV), levega atrija (LA) in desnega atrija (RA). Slika A je visoko kontrastna zaradi večjega stiskanja in s tem ozkega dinamičnega razpona. Slika B je nizko kontrastna
zaradi manjšega stiskanja in s tem širokega dinamičnega razpona (vir: Ng, Swanevelder, 2011).
Slika 10: Aqua barva za izboljšanje kontrasta slike proksimalne ascendentne aorte, pridobljene z epiaortalnim slikanjem med kardiokirurgijo (vir: Ng, Swanevelder, 2011).
1.1.4 Artefakti
Slikovni artefakt je izraz, ki se uporablja za opis katerega koli dela slike, ki ne predstavlja natančne anatomije telesa oziroma strukture predmeta, ki ga prikazujemo. Poleg tega lahko pride do artefaktov tudi zaradi nepravilnega delovanja opreme ali napak operaterja, kar privede do kršitve fizikalnih predpostavk ultrazvočnega valovanja (Prabhu et al., 2014).
Artefakt reverberacije (Slika 11) oziroma artefakt multiplih odmevov nastane med dvema objektoma z visoko akustično impedanco. Odboj naprej in nazaj podaljša čas potovanja ultrazvočnih valov nazaj do sonde, kar sistem interpretira kot objekt, ki je bolj oddaljen od sonde. Reverberacijski artefakti so običajno videti kot svetle vzporedne črte v enakomernih intervalih med mejami različnih tkiv (Prabhu et al., 2014).
Slika 11: Diagram, ki prikazuje artefakt reverberacije (vir: Prabhu et al., 2014).
Artefakti zrcaljena (Slika 12) nastanejo, ko se ultrazvočni valovi odbijejo od močnega reflektorja, to so tkiva z visoko akustično impedanco. Ti reflektorji podaljšajo čas leta za ultrazvočni val. Zrcalna slika nastane na drugi strani močnega reflektorja zaradi predpostavljanja, da zvok potuje na ravni črti (Prabhu et al., 2014).
12
Slika 12: Diagram, ki prikazuje artefakt zrcaljenja (vir: Prabhu et al., 2014).
Lomni artefakt (Slika 13) lahko razložimo s fizikalnim lomnim zakonom; ko ultrazvočni valovi prehajajo iz enega medija v drugo na tkivo, valovi spremenijo smer glede na lomni količnik tkiva (razlika v gostoti) (Prabhu et al., 2014).
Slika 13: Diagram, ki prikazuje lomni artefakt (vir: Prabhu et al., 2014).
Akustična senca (Slika 14) je artefakt, ki je posledica delnega ali popolnega slabljenja ultrazvočnega vala vzdolž njegove poti zaradi absorbcije ali odboja od struktur. Z globino se amplituda znatno zmanjša, zaradi česar pride do izgube signala, kar ustvarja senco.
Ultrazvočni valovi z zelo intenzivnim odbojem ali s totalno absorbcijo namreč ne dosežejo področja za določenim objektom (Prabhu et al., 2014).
Slika 14: Diagram, ki prikazuje artefakt akustične sence (vir: Prabhu et al., 2014).
14
1.1.5 Kontrola kakovosti
Namen izvajanje kontrole kakovosti je zagotoviti dosledne in zanesljive rezultate ultrazvočne preiskave ter preveriti morebitno poslabšanje delovanja ultrazvočne opreme.
Poudarek v programu za zagotavljanje kakovosti mora biti na odkrivanju napak v čim zgodnejši fazi, ko napaka še nima vpliva na diagnostično kakovost preiskave. Po zagonu mora program za zagotavljanje kakovosti določiti, ali se je stanje ali delovanje opreme skozi čas spremenilo. Postopek zagotavljanja kakovosti vključuje tudi ukrepe, ki jih je potrebno izvesti, ko se dokaže sprememba. Razvite so bile številne tehnike, ki omogočajo izvajanje programov kontrole kvalitete ultrazvočnega aparata. Nekatere tehnike so preproste in ne zahtevajo preizkusne opreme, druge pa uporabljajo testne objekte, ki simulirajo človeško tkivo in so namenjene merjenju določenih vidikov delovanja ultrazvočne naprave. Ključnega pomena je, da se preverjanje kakovosti izvaja v določenih časovnih intervalih in da so testi dovolj občutljivi, da zaznajo spremembo delovanja, preden le-ta postane klinično pomembna (Hoskins et al., 2019).
Rutinsko preverjanje kakovosti mora izvajati klinično osebje. To spodbuja in ohranja zavest o možnih napakah ali poškodbah, kar povečuje možnosti, da se napake prijavijo in odpravijo v odsotnosti pacienta. Testi naj ne bi trajali več kot nekaj minut, zato nimajo bistvenega vpliva na klinično delo. Potrebno pa je preverjati UZ napravo in vse njene sonde (Hoskins et al., 2019).
Pristopi kontrole kakovosti temeljijo na smernicah, ki jih določajo različne organizacije in priporočajo izvajanje preprostih testov, vključno z vizualnim pregledom, pregledom homogenosti sonde in oceno občutljivosti. Ne glede na test, ki ga izvajamo, je potrebno imeti jasen in lahko ponovljiv protokol za nastavitev ultrazvočne naprave (Hoskins et al., 2019).
Pri meritvah in opazovanju prikaza slike je pomembno zagotoviti pravilne svetlobne pogoje.
Preskuse je potrebno izvajati v zatemnjeni sobi, brez virov svetlobe, ki bi se lahko odbijali od zaslona ali kako drugače zmanjšali vidnost nizkonapetostnih signalov (Hoskins et al., 2019).
V rutino kontrole kakovosti spadajo različne naloge. To so čiščenje, pregled funkcionalnosti, vizualni pregled, homogenost ter občutljivost in šum (Hoskins et al., 2019).
ČIŠČENJE
Po načelu dobre prakse se iz kontrolne plošče, sonde in kablov UZ naprave očistijo ultrazvočni gel in telesne tekočine, in sicer z uporabo materialov ter metod, ki jih priporoča proizvajalec po vsaki preiskavi. Pomembno je, da se površine sonde ne drgne, saj se lahko le-ta hitro poškoduje. Ultrazvočno napravo in njen zaslon je potrebno očistiti vsak dan. Filter se čisti tedensko oz. po navodilih proizvajalca (Hoskins et al., 2019).
PREGLED FUNKCIONALNOSTI
Najprimernejši čas za poročanje o funkcionalnih težavah je med klinično uporabo opreme.
Takrat prihaja do prilagajanja vseh pomembnih nastavitev, kar privede do očitnega prikaza napak. V postopek preverjanja kakovosti je koristno vključiti obrazec poročila o napakah, kar olajša spremljanje napak in odpravljanje težav. Poleg tega je potrebno poročati in odpraviti vse funkcionalne napake, ugotovljene med načrtovanim preverjanjem kakovosti (Hoskins et al., 2019).
Po potrebi pregled funkcionalnosti vključuje tudi prilagoditev zaslona. Na splošno je potrebno svetlost in kontrast zaslona ohranjati pri nastavitvah, določenih ob zagonu. Če sivinska lestvica ni prikazana v celoti, je potrebno opraviti ustrezne prilagoditve in vzpostavitev novih nastavitev (Hoskins et al., 2019).
VIZUALNI PREGLED
Temeljit vizualni pregled UZ naprave, sond, kablov in priključkov se praviloma izvaja v tedenskem intervalu. Vizualno kontrolo sond in kablov je priporočljivo izvajati tudi med vsakodnevno uporabo. Z vizualnim pregledom preverimo morebitne mehanske in električne napake, ki jih je potrebno odpraviti pred nadaljnjo uporabo (Hoskins et al., 2019).
Fizične okvare in poškodbe, ki ne vplivajo na mehansko ali električno varnost, ampak vplivajo na primer na sposobnost čiščenja opreme, je potrebno oceniti za tveganje in po potrebi izvesti ukrepe za izboljšanje možnosti čiščenja (Hoskins et al., 2019).
Pri vizualnem pregledu se lahko ugotovi tudi, če kateri izmed delov UZ sistema manjkajo, npr. sonde (Hoskins et al., 2019).
16 HOMOGENOST
Homogena slika na zaslonu pomeni, da pravilno delujejo vsi deli sonde. Najenostavnejši test homogenosti je ocena vzorca, ki nastane pri večkratnem obdobju ultrazvočnega signala od zraka (Slika 15), in ki ga je mogoče preprosto opraviti vsak dan pred prvo uporabo vsake sonde. Vzorec, ki nastane, je posledica velike razlike med akustično impedanco sonde in zraka v okolici, kar povzroči večkratne odboje ultrazvočnega signala med zrakom in elementi v sondi. Test homogenosti sonde je potrebno izvesti z uporabo najvišje razpoložljive osnovne frekvence, ki še vedno omogoča prikaz celotne širine in globine vzorca odmeva ter vso napredno obdelavo (Hoskins et al., 2019).
Slika 15: Vzorec svetlih vzporednih prog, ki je posledica večkratnega odboja UZ signala od zraka (vir: Hoskins et al., 2019).
Na zaslonu morajo biti svetle črte v nizu vzporedne s površino sonde in enakomerne svetlosti. Nepravilnosti v leči se lahko opazijo kot majhne stranske spremembe svetlosti.
Potrebno je omeniti, da so lahko majhne spremembe v vzorcu večkratnega odboja v zrak posledica temperaturnih sprememb. Koristno je tudi preklapljanje med vsemi razpoložljivimi frekvencami, saj so nekatere anomalije pri določenih frekvencah bolj očitne (Hoskins et al., 2019).
Poznamo tri tipe napak, ki jih je mogoče ugotoviti iz vzorca, ki nastane pri odboju signala v zrak. Prva napaka je odpoved elementa, ki jo ugotovimo tako, da rob zaponke za papir potegnemo vzdolž matrike elementov sonde. Rob zaponke držimo pravokotno na vzdolžno os matrike, tako da je sponka ves čas v stiku s sondo. Na sliki se to prikaže kot temen pas v aksialni smeri (Slika 16) (Hoskins et al., 2019).
Slika 16: Opustitev vzorca odmeva v zraku, potrjena s preskusom sponke. Intenzivnost odmevnega vzorca s sponke se zmanjša na mestu osipa, kar kaže na nedelujoč element
(vir: Hoskins et al., 2019).
Drugi tip napake je razslojevanje (Slika 17), pri kateri se odlepijo nekatere plasti sonde;
najpogosteje je to leča, ki se loči od spodnje plasti. Zaradi tega opazimo očitno motnjo ali zamegljenost vzorca (Hoskins et al., 2019).
Slika 17: Razslojevanje. Vzorec odmeva na desni se zdi moten zaradi delnega ločevanja plasti znotraj sonde (vir: Hoskins et al., 2019).
18
Tretji tip napake pa je neenakomerna debelina leče, kar se kaže v vzorcu večkratnega odboja v zrak kot odmik od vzporednih črt (Slika 18). Sonda je lahko v proizvodni okvari ali je posledica obrabe leč, slednji je pogosteje viden na koncih matrike. Neenakomernost je mogoče količinsko določiti z merjenjem globine izbrane črte za odmev v točkah vzdolž̌
sonde (Hoskins et al., 2019).
Slika 18: Odmev v zraku, ki kaže na neenakomerno debelino leče, prikazan z meritvami na isti ravnini odmeva na levi in desni strani slike (vir: Hoskins et al., 2019).
OBČUTLJIVOST IN ŠUM
Teste B-načina, občutljivosti le-tega, pulznega Dopplerja in šuma barvnega pretoka je potrebno izvajati vsak mesec (Hoskins et al., 2019).
Üstüner in Holley (2003) navajata, da se občutljivost nanaša na sposobnost vizualizacije šibko ehogenih predmetov in je merilo najmanjše zaznavne ehogenosti.
Ob zagonu nove UZ naprave ali ob prejemu nadomestnih oz. zamenjanih ali popravljenih sond so potrebne osnovne meritve za določanje toleranc za rutinsko testiranje. Sliko večkratnega odboja v zrak je potrebno pridobiti kot sliko za testiranje homogenosti.
Dobljeno je tako potrebno povečati na maksimum. Lestvico je potrebno prilagoditi tako, da se prikaže celotna globina odmeva v 30–50 % globine slike, skupaj z nekaj elektronskega šuma na dnu (Hoskins et al., 2019).
Slika 19: Meritev (a) globine odmeva (puščica prikazuje najgloblje viden odmev); (b) prag odmeva (puščica prikazuje prvotni položaj najglobljega odmeva, polje označuje zabeleženo vrednost ojačanja, pri kateri odmev izgine); (c) prag hrupa (polje označuje
zabeleženo vrednost ojačanja, pri kateri hrup izgine) (vir: Hoskins et al., 2019).
Kadar rutinski rezultati kakovosti kažejo na spremembo občutljivosti ali povečanje šuma, je potrebno nadaljnje testiranje. Cilj nadaljnjih testov je potrditi spremembo občutljivosti načina B in/ali zmanjšanje razmerja med signalom in šumom v načinu B (Hoskins et al., 2019).
20
2 NAMEN
Namen diplomskega dela je opis in analiza materialov za simulacijo človeškega tkiva za prikaz z medicinskim ultrazvokom. Na podlagi pregledane literature bomo ugotovili, kateri materiali so bolj in kateri so manj primerni za simulacijo človeškega tkiva. V eksperimentalnem delu diplomskega dela bomo s pomočjo ultrazvoka preizkušali različne materiale, ki jih bomo pregledali v prvem delu naloge, in ocenjevali kakovost slike.
Cilji:
• iz literature poiskati primerne fantome za simulacijo človeškega tkiva;
• poiskati primerne materiale za izdelavo tkivu podobnih fantomov;
• oceniti kvaliteto ultrazvočnih slik pri fantomih za simulacijo človeškega tkiva.
V prvem delu diplomskega dela sva oba avtorja skupaj (Timotej Kidrič in Rok Sirk) pregledala literaturo ter napisala uvod s teoretičnimi izhodišči, namen in metode dela.
Skupaj sva se odločila, katere materiale bomo uporabili v diplomskem delu in jih predstavila v tabeli. Po eksperimentalnem delu sva si izbrane materiale razdelila za oceno ultrazvočnih slik. Razpravo, zaključek in izvleček sva napisala skupaj.
3 METODE DELA
V diplomskem delu smo uporabili deskriptivno metodo s pregledom domače in tuje literature. Iskali smo strokovne in znanstvene članke v slovenskem ter angleškem jeziku.
Sistematični pregled literature je potekal od 22. 10. 2020 do 16. 3. 2021. V pregled smo vključili članke, ki podrobneje opisujejo ultrazvočne fantome, njihove značilnosti in materiale, ki so primerni za izdelavo tkivu podobnih fantomov. Ker je to dobro raziskano in opisano področje, smo pri iskanju prišli do visokega števila zadetkov. Te zadetke smo zato selekcionirali s pomočjo vključitvenih in izključitvenih kriterijev.
Merila za vključitev v pregled literature so bila:
• članki, napisani med leti 2010 in 2021;
• članki, napisani v slovenskem ali angleškem jeziku;
• članki, ki so dostopni v celotnem besedilu;
• članki, ki so recenzirani;
• znanstveni članki;
• članki, ki so tematsko ustrezni in obravnavajo ultrazvočne fantome, njihove značilnosti in materiale, ki so primerni za izdelavo tkivu podobnih fantomov.
Merila za izključitev v pregled literature so bila:
• članki, napisani pred letom 2010;
• članki, ki niso napisani v angleškem ali slovenskem jeziku;
• članki, ki niso dostopni v celotnem besedilu;
• članki, ki niso recenzirani;
• poljudnoznanstveni članki;
• članki, ki niso tematsko ustrezni in ne obravnavajo ultrazvočnih fantomov, njihovih značilnosti ter materialov, ki so primerni za izdelavo tkivu podobnih fantomov.
3.1 Metode pregleda
Večino literature smo pridobili preko Digitalne knjižnice Univerze v Ljubljani, s pomočjo spletnih bibliografskih baz podatkov PubMed, SpringerLink in ScienceDirect. Vso literaturo smo iskali s pomočjo ključnih besed v slovenskem in angleškem jeziku. Ker v slovenskem
22
jeziku ni bilo ustreznih zadetkov, smo se osredotočili le na vire v angleščini. Le-te smo iskali z naslednjimi ključnimi besedami: ultrasound phantoms, tissue mimicking, ultrasound, simulators, test objects, education. Ključne besede smo vpisovali v različnih kombinacijah in si pri tem pomagali z Bolovima operaterjema AND (slov. IN) ter OR (slov. ALI) med dvema ali več ključnimi besedami.
3.2 Eksperimentalni del
Na podlagi ugotovitev pregleda literature smo na Zdravstveni fakulteti izvedli še eksperimentalni del. Uporabili smo ultrazvočni aparat SonoScape E2 (Slika 20) s pripadajočo linearno in konveksno sondo ter običajne plastične posode, ki so služile za preizkušanje izbranih materialov. Na koncu smo ocenili nastale ultrazvočne slike. Parametri ocenjevanja, na podlagi katerih smo opravili analizo posameznih materialov, so predstavljeni v Tabeli 6. Ocenjevali smo homogenost prikazanih ultrazvočnih slik in prisotnost artefaktov, opisovali smo dostopnost in obstojnost posameznega materiala.
Zanimala nas je tudi ponovljivost izdelave fantomov. Navedli smo tudi ceno in posebnosti za vsak izbran material.
Slika 20: Ultrazvočni aparat SonoScape E2 (lasten vir).
Pri vseh izbranih materialih smo na površino fantoma nanesli ultrazvočni gel in jih prikazali z linearno ter konveksno sondo. Pri prikazovanju materialov z linearno sondo smo uporabili parametre za protokol slikanja vratnih žil (frekvenca 8,0–9,6 MHz, GN 105, DR 120, PWR 100). Pri prikazovanju materialov s konveksno sondo smo uporabili protokol za slikanje trebuha (frekvenca 3,7-4,5 MHz, GN 110, DR 100, PWR 100). Medtem so se vrednosti FR (število sličic) in D (globine) na slikah med seboj razlikovale glede na velikost pregledovanega materiala.
Uporabili smo materiale in pripomočke za vsakodnevno rabo, pri čemer smo poskušali čim bolje simulirati človeško tkivo ter se približati kakovosti slik komercialnih ultrazvočnih fantomov. Za vodni fantom smo uporabili dve plastični posodici z volumnom 500 ml in 800 ml. Do vrha smo ju napolnili z vodo, ju prekrili s plastično folijo in zatesnili z gumico (Slika 53 in 56). Za fantom iz želatine (Slika 43) smo uporabili 500 ml plastični kozarec in želatino proizvajalca Dr. Oetker, ki smo jo kupili v trgovini. Pripravili smo jo dva dni pred izvedbo eksperimentalnega dela in jo hranili v hladilniku, da je bila primerna za uporabo. Za fantom ultrazvočnega gela (Slika 57) smo uporabili plastično posodico z volumnom 400 ml, jo prekrili s plastično folijo in zatesnili z gumico. Prav tako smo kot fantom uporabili piščančja prsa (Slika 47) in tofu (Slika 39), ki smo ju kupili v trgovini.
Pri fantomu iz želatine in pri tofuju smo vstavili injekcijske igle, da bi simulirali ultrazvočno punkcijo. Za simulacijo lezij smo pri fantomih vode, ultrazvočnem gelu in piščančjih prsih vstavili olive s koščico.
24
4 REZULTATI
Po uporabi vključitvenih in izključitvenih kriterijev smo pri izbranih elektronskih virih podrobneje pregledali naslove in izvlečke ter izključili tiste, ki niso zajemali željenega področja ultrazvočnih fantomov. Naposled smo v pregled literature vključili 6 zadetkov. Od tega smo dobili 3 zadetke v podatkovni bazi SpringerLink, 2 v ScienceDirect in 1 zadetek v bazi PubMed.
Rezultati so predstavljeni v več delih. Prvi del prikazuje tabelo člankov, uporabljenih za pregled literature. V drugem delu je predstavljen pregled možnih fantomov in pregled materialov. Tretji del rezultatov predstavlja eksperimentalni del.
4.1 Članki, uporabljeni za pregled literature
V pregled literature smo vključili 6 virov, ki so predstavljeni v spodnji tabeli (Tabela 1).
Navedeni so avtorji članka, leto objave, naslov članka v angleškem in slovenskem jeziku, država in kratka vsebina članka. Članki so razvrščeni od najstarejšega do najnovejšega.
Tabela 1: Članki, uporabljeni za pregled literature, in njihove glavne značilnosti AVTORJI,
LETO
NASLOV (angleški in slovenski)
DRŽAVA VSEBINA IN GLAVNE UGOTOVITVE
Culjat et al., 2010
A review of tissue substitutes for ultrasound imaging (Pregled nadomestkov tkiv za ultrazvočno slikanje)
Združene države Amerike
Navajajo lastnosti fantomov, ki se uporabljajo za ultrazvočno slikanje. Omenijo komercialne fantome s prednostmi in slabostmi ter hkrati navežejo na velik pomen prilagojene zasnove in izdelave tkivnih fantomov. Ker morajo imeti nadomestki tkiv akustične lastnosti v bližini tistih tkiv, ki nas zanimajo, so za različna tkiva in materiale le-te navedli v tabelah in
jih kasneje opisali s prednostmi in slabostmi.
Gresens et al., 2012
Ultrasound-Guided Breast Biopsy for Surgical Residents:
Evaluation of a Phantom Model (Ultrazvočno vodena biopsija dojk za kirurške rezidente:
ocena fantomskega modela)
Združene države Amerike
Kirurgi ultrazvok vse pogosteje uporabljajo za oceno lezij dojk.
Zaradi tega je bil ustvarjen fantomski model za poučevanje rezidentov kirurgije osnovnih veščin ultrazvoka in biopsije dojk.
Ustvarili so model pečenke z desetimi vstavljenimi olivami različnih velikosti, ki so predstavljale lezije. 24 rezidentov kirurgije je dobilo navodila, da z ultrazvokom pregledajo model, najdejo lezije in nato izvedejo ultrazvočno vodeno biopsijo.
Sultan et al., 2013
Simulators for training in ultrasound guided procedures (Simulatorji za vadbo pri
ultrazvočno vodenih postopkih)
Irska Na začetku opisujejo pomen simulatorjev za medicinsko usposabljanje in v nadaljevanju navedejo, kakšne lastnosti mora imeti idealen fantom. V tabeli predstavijo materiale, ki se lahko uporabljajo kot ultrazvočni nadomestki tkiva s prednostmi in slabostmi ter kasneje te materiale natančneje opišejo.
Uetake et al., 2016
Abdominal ultrasound examination training using an ultrasound phantom and volume navigation system
Japonska Namen študije je bil preučiti učinek uporabe ultrazvočnega fantoma (ECHOZY) v kombinaciji z volumskim navigacijskim sistemom (Vnavi) pri ultrazvoku
26 (Trening ultrazvočnega
pregleda trebuha z uporabo ultrazvočnega fantoma in volumskega navigacijskega sistema)
trebuha za usposabljanje mladih rezidentov. Fantom in navigacijski sistem sta v besedilu natančneje prikazana ter opisana. V študiji je na koncu ugotovljeno, da je ta kombinacija koristna pri začetnem izobraževanju ultrazvoka trebuha.
Cafarelli et al., 2016
Speed of sound in rubber-based materials for ultrasonic phantoms (Hitrost zvoka v
materialih na osnovi gume za ultrazvočne fantome)
Italija V besedilu je predstavljen pomen poznavanja hitrosti zvoka (SoS) in korelirane akustične impedance (Z) pri razvoju ultrazvočnih fantomov. Predstavljena je tabela akustičnih lastnosti nekaterih mehkih tkiv. Z natančnim spremljanjem SoS in Z je z izbranimi materiali nastal anatomsko realen fantom jeter, ki v primerjavi z resničnimi jetri kaže izjemne podrobnosti. Razvoj izdelave novih materialov in poznavanje njihovih akustičnih lastnosti bi lahko izboljšal ter pospešil razvoj ultrazvočnih fantomov.
Grazhdani et al., 2018
Quality assurance of ultrasound systems:
current status and review of literature (Zagotavljanje
kakovosti ultrazvočnih sistemov: trenutno
Italija Gre za pregled literature, kjer je namen uporabnika ultrazvoka obvestiti o potrebnem znanju kontrole kakovosti in hkrati predstaviti fantome, ki so najprimernejši za ultrazvočno preverjanje kontrole kakovosti.
stanje in pregled literature)
4.2 Vrste ultrazvočnih fantomov
Komercialni fantomi se razlikujejo po ceni – od sto do več tisoč dolarjev – in so pogosto najprimernejši za trening ter kalibracijo ultrazvočnih sistemov. Na voljo je nekaj komercialno dostopnih materialov, kot so vodni gel (Zerdine® od podjetja CIRS), kondenzirano mleko in uretanska guma (Culjat et al., 2010). Uporaba testnih predmetov oziroma fantomov je tudi zahtevana kot osnovni del testiranja kontrole kakovosti (v nadaljevanju QA, po angleškem izrazu Quality assurance). Samo s QA fantomskim testiranjem lahko spremljamo optimalno delovanje ultrazvočnega sistema in z njim odkrivamo zgodnje okvare (Grazhdani et al., 2018).
Tabela 2: Nekaj primerov QA fantomov (vir: Grazhdani et al., 2018)
TIP FANTOMA SESTAVA UPORABA IN MERITVE
Fantom splošne ločljivosti
Niti, igle in cevi na različnih globinah, različne velikosti in impedance
Aksialna in lateralna ločljivost, umerjanje, geometrijska natančnost
Fantom debeline rezine
Niti ali cevi v diagonalnem položaju, ali sfere
Višinska (elevacijska/azimutna) ločljivost
Fantom kontrole kristala
Preprost material, podoben tkivu, brez notranjih tarč
Odkrivanje okvarjenih kristalnih elementov in artefaktov pretvornika
Fantom elastičnosti Materiali z različno togostjo Vrednotenje natančnosti ultrazvočnih elastografskih tehnik
Barvni Dopplerjev fantom
Motor, ki premika struno, ali črpalka, ki simulira pretok krvi
Prodiranje Dopplerskega signala in meritve hitrosti
28
V Tabeli 2 so pojasnjeni nekateri tipi fantomov, kakšna je njihova sestava in za katere meritve se lahko uporabijo.
Slika 21: Večnamenski fantom podjetja CIRS za splošno oceno kontrole kvalitete (vir:
Grazhdani et al., 2018).
Na zgornji sliki (Slika 21) je prikazan večnamenski fantom podjetja CIRS. Je splošni fantom QA za nizko in visokofrekvenčne sonde (2–15 MHz), ter prilagodljiv, da lahko preskuša konveksne, linearne in intrakavitarne sonde. Preskusi, ki jih je mogoče izvesti, so:
enakomernost, globina prodiranja, profil žarka, žariščno območje, širina prečnega odziva, meritve navpične razdalje, meritve vodoravne razdalje, osna in prečna ločljivost, višinska ločljivost, kontrastna ločljivost, kontrastna občutljivost v sivinah, občutljivost na elastičnost in ocena mrtve cone (Grazhdani et al., 2018). Fantom je izdelan iz hidrogela Zerdine® (CIRS - Computerized Imaging Reference Systems, 2021).
CIRS je po vsem svetu priznan kot vodilni v proizvodnji fantomov, ki posnemajo tkiva. Eden izmed njihovih fantomov je tudi Gray Scale fantom oziroma fantom sivinske lestvice (Slika 22). Ta fantom je idealno orodje za učenje optimalne nastavitve in ocenjevanja delovanja ultrazvočnega sistema. Izdelan je iz materiala Zerdine® in vsebuje 21 testnih tarč, različnih premerov (2.4, 4 in 6.4 mm), različnih kontrastov (anehogeno, -9, -6, -3, +3, +6, +9 dB) in globina testnih tarč se lahko nenehno spreminja (CIRS, 2021).
Slika 22: Gray Scale fantom podjetja CIRS za oceno ločljivosti različnih tarč po velikosti, globini in kontrastnosti (vir: CIRS, 2021).
Fantom uniformnosti ultrazvočnih slik pomaga pri prepoznavanju prisotnosti stranskih in aksialnih artefaktov na katerem koli pretvorniku (Slika 23). Če so prisotni artefakti, je to znak poškodbe pretvornika (CIRS, 2021).
Slika 23: Fantom uniformnosti podjetja CIRS (vir: CIRS, 2021).
Imajo tudi QA fantom elastičnosti (Slika 24). Gre za edini komercialno dostopen fantom za zagotavljanje kakovosti sonoelastografije. Uporablja se za določanje dinamičnega razpona, preverjanja delovanja ultrazvočnega sistema, usposabljanja in prikaz sistemskih značilnosti ter za raziskave in razvoj. Vsebuje po dve sferi nameščenih na različnih globinah, ki se razlikujeta od samega ozadja (CIRS, 2021).
30
Slika 24: Fantom elastičnosti QA (vir: CIRS, 2021).
Komercialno se fantomi uporabljajo tudi za poučevanje. Mednje sodi UZ fantom ščitnice (Slika 25). Zraven nekoliko povečane ščitnice vsebuje še sapnik, notranje jugularne vene in skupne karotidne arterije. Vsak reženj ščitnice vsebuje eno cisto in eno izoehogeno trdo lezijo. Uporablja se lahko tudi za UZ vodeno biopsijo ščitnice (CIRS, 2021).
Slika 25: UZ fantom ščitnice (vir: CIRS, 2021).
Fantom ECHOZY (Slika 26) vsebuje simulirane organe, ustvarjene z materiali, ki so bili razviti tako, da ustrezajo zvočnim značilnostim organov v človeškem telesu (uretanska smola + organsko polnilo; patentirano februarja 2005). Ta sistem predstavlja prvi slikovni fantom za vadbo ultrazvoka trebuha, ki naj bi natančno repliciral jetra, žolčnik, trebušno slinavko, vranico, ledvice in prebavni trakt zgornjega dela trebuha (Uetake et al., 2016).
Slika 26: FantomECHOZY za vadbo ultrazvoka trebuha (vir: Uetake et al., 2016).
Ultrazvok testisov je primarna slikovna metoda za ocenjevanje motenj mod, ki jih povzročajo cistične in trdne mase, travme, vnetja ter torzije mod. UZ fantom skrotuma je učno orodje za diagnostično preiskavo mod (Slika 27). Predstavlja anatomsko natančen model penisa, mošnje, mod in epididimisa. Vključuje tudi 10 mm intratestikularno maso (CIRS, 2021).
Slika 27: UZ fantom skrotuma (vir: CIRS, 2021).
Zasnova testnih predmetov, primernih za Dopplerske meritve, je težja kot za slikanje v načinu B, saj mora Dopplerjev testni objekt vključevati premikajočo tarčo, ki ustrezno simulira gibanje krvi. Eden takšnih modelov je strunski fantom podjetja CIRS (Slika 28), ki ga lahko napolnimo z vodo ali katero drugo tekočino. Če uporabljamo vodo, le-ta ustrezno prilagodi hitrost strune. In za razliko od druge vrste Dopplerjevih fantomov, fantomov pretoka, se cilj nikoli ne spremeni. Pri vsakem testiranju vemo, kakšni bi naj bili naši rezultati testa (CIRS, 2021).
32
Slika 28: Dopplerjev strunski fantom (vir: CIRS, 2021).
Druga vrsta Dopplerjevih fantomov, t.i. fantom pretoka, je prikazana na Sliki 29. Fantom simulira krvne žile, katere vstopijo v fantom pod kotom. Fantom lahko uporabimo iz zgornje in spodnje strani, kar omogoča testiranje v različnih globinah in pod različnimi koti.
Primeren je za testiranje perifernega pretoka in tudi globljih trebušnih žil. Napolnjen je z hidrogelom Zerdine®, s hitrostjo zvoka 1540 m/s (CIRS, 2021).
Slika 29: Dopplerjev fantom pretoka (vir: CIRS, 2021).
Komercialni fantomi so običajno zasnovani za širši trg in jih ni mogoče prilagoditi. Iz tega razloga sta za bolj specializirane aplikacije, ki zahtevajo prilagojene lastnosti, dimenzije ali tudi za zmanjšanje stroškov, potrebni prilagojena zasnova in izdelava tkivnih fantomov.
Nadomestki tkiv, ki se uporabljajo v ultrazvoku, morajo imeti zvočne lastnosti v bližini tistih tkiv, ki nas zanimajo. Izraz nadomestek tkiva zajema tako fantome kot materiale, ki posnemajo tkivo (Culjat et al., 2010).
Idealni fantom mora:
• imeti isto teksturo in odpornost kot človeška tkiva;
• omogočiti identifikacijo in lokalizacijo tarč tudi do globine 10 cm;
• imeti tarče, ki jih na ultrazvočni sliki jasno ločimo od okoliškega medija;
• biti lahki popravljiv zaradi poškodb, ki jih povzroči vstavljanje igel;
• biti lahko dostopen;
• biti lahko prenosljiv;
• biti sestavljen iz nepokvarljivega materiala;
• imeti različne stopnje zahtevnosti, ki jih je enostavno spreminjati;
• biti ponovljiv (Sultan et al., 2013).
Za tkivne nadomestke in fantome je pomembna tudi dolgoživost oziroma časovno obdobje, v katerem so zvočne ter mehanske lastnosti stabilne in skladne. Dolgoživost se lahko zelo razlikuje – od nekaj minut do trajnosti, odvisno od izbranih materialov in tehnike priprave (Culjat et al., 2010). Zaželeno je približno ujemanje hitrosti zvoka, saj to določa razdalje na ultrazvočni sliki. Tarče se morajo na ultrazvočni sliki jasno ločiti od okoliškega medija, vendar razlika v zvočni impedanci ne sme biti prevelika. Stopnja zahtevnosti bi se morala spreminjati glede na raven pripravnika ali potrebe pripravnika (Sultan et al., 2013).
Trenutno imajo ultrazvočni fantomi, ki so na trgu na voljo, nekatere omejitve, kot so visoki stroški, poenostavljena anatomija, groba morfologija in zelo pogosto kratka življenjska doba. Iz teh razlogov obstaja veliko zanimanje za razvoj fantomov po meri (Cafarelli et al., 2016).
4.3 Materiali za ultrazvočne fantome
Mehka tkiva sestavljajo mišice, kite, vezi, fascije, maščoba, vlaknasta tkiva, sinovialne membrane, živci in krvne žile. Čeprav so bili nekateri fantomi mehkih tkiv razviti tako, da vključujejo veliko komponent mehkih tkiv, je večina tkivnih nadomestkov vsako tkivo oblikovala kot izotropne, homogene materiale. Pogosto je zaželeno pripraviti homogeno tkivo nadomestkov, ki posnemajo širše okolje mehkih tkiv namesto posameznih tkiv ali skupin tkiv; ta pristop je praktičen zaradi razmeroma skromnih zvočnih razlik med mehkimi tkivi (Culjat et al., 2010).
34
Tabela 3: Akustične lastnosti nekaterih tkiv (vir: Cafarelli et al., 2016; Culjat et al., 2010).
Tkivo Hitrost zvoka
(m/s)
Gostota (𝐠/𝐜𝐦𝟑)
Akustična impedanca (𝐤𝐠/(𝐦𝟐s))
Dojke 1510 1040 1,57 · 106
Koža 1540 1110 1,71 · 106
Možgani 1560 1040 1,62 · 106
Vezivno tkivo 1613 1120 1,81 · 106
Maščoba 1478 950 1,40 · 106
Srce 1576 1060 1,67 · 106
Mišice 1547 1050 1,62 · 106
Tetiva 1670 1100 1,84 · 106
Kri 1584 1060 1,68 · 106
Krvne žile 1571 1160 1,82 · 106
Zdrava jetra 1588 1060 1,68 · 106
Bolna jetra 1527 1050 1,60 · 106
Mehko tkivo (povprečno) 1561 1043 1,63 · 106
Kost 3476 1975 7,83 · 106
Voda 1480 1000 1,48 · 106
Zrak 330 1,2 0,0004 · 106
Tabela 3 prikazuje tipične vrednosti hitrosti zvoka v različnih materialih, vključno z več vrstami človeškega tkiva, vode in zraka. Vidimo lahko, da je hitrost zvoka v večini tkiv podobna hitrosti zvoka v vodi, medtem ko je hitrost zvoka v kosteh veliko večja in v zraku veliko nižja. V človeškem telesu opazimo majhne razlike v impedanci, zato je natančno poznavanje akustičnih lastnosti fantomskih materialov in možnost njihovega uglaševanja lahko izjemno koristno za razvoj večorganskih fantomov. O akustičnih lastnostih se običajno poroča pri sobni temperaturi (Cafarelli et al., 2016).
Veliko tkivnih nadomestkov je izdelanih s tehnikami, razvitimi za splošno mehko tkivo, in nato spremenjenimi, da bolje posnemajo posebne lastnosti tkiva. Culjat in sodelavci (2010) navajajo materiale, ki se lahko uporabijo kot nadomestki mehkih tkiv: voda in ultrazvočni geli, organske snovi, tofu, agarozni gel, gel na osnovi želatine, gel na osnovi magnezijevega silikata, gel na oljni osnovi, polivinil alkohol (Tabela 4).
Tabela 4: Materiali, ki se uporabljajo kot nadomestki mehkih tkiv, opisani s prednostmi ter slabostmi (vir: Culjat et al., 2010; Sultan et al., 2013; Morrow et al., 2016).
Materiali Prednosti Slabosti
Voda - najpreprostejši nadomestek
tkiva
- enostavnost uporabe
- nizki koeficient atenuacije glede na mehka tkiva in jih posledično ne posnema dovolj natančno
- odvisna od temperature
Ultrazvočni geli - imajo višjo hitrost kot voda - nižja atenuacija kot pri mehkih tkivih
- odvisni od temperature
Tofu - enostavna zgradba
- omogoča vstavitev injekcijskih igel
- nizka cena
- primeren za začetnike, ki se še učijo upravljati z ultrazvokom
- preveč enakomeren ehogeni videz
- zahteva po hrambi v hladilniku - iztekanje vode iz modela skozi čas
- lahko predstavlja rastni medij za bakterije
Živalski modeli (prašičje tkivo, goveje tkivo, puranje prsi …)
- široka razpoložljivost - relativno nizka cena - realen občutek v tkivih - prisotnost krvnih žil, kosti in mišic
- lahko predstavlja rastni medij za bakterije
- kratek rok uporabe, le nekaj dni - zahteva po hrambi v hladilniku - možnost ujetja zraka med vstavljanjem tarč v model
36
- možnost vstavitve tarč v model
- primeren za začetnike, ki se še učijo upravljati z ultrazvokom
- artefakti po ponavljajočih se punkcijah igel manj verjetni
- njihovih akustičnih lastnosti ni mogoče prilagoditi
Modeli na osnovi želatine in agarja
- enostavno izdelani z uporabo osnovnih kuhinjskih pripomočkov
- nizka cena
- široka razpoložljivost sestavin
- imajo veliko značilnosti idealnega fantoma
- primerni za učenje upravljanja z ultrazvokom - možnost vstavitve poljubnega števila tarč
- model je lahko prozoren ali barven
- poljubne velikosti in oblike glede na uporabljeno posodo - je lahko ponovljiv
- sčasoma začne iz modela iztekati voda
- odvisno od uporabljene koncentracije se lahko modeli zlahka poškodujejo
- modeli so prozorni, če ni dodana barva in imajo enak videz na ultrazvoku
- vidne so sledi igel,
- v model ni mogoče injicirati, razen, če je v tarči na voljo potencialni prostor
- ne vsebuje nevarnih snovi, ki bi ogrožale naravo ali zdravje ljudi
Sintetična balistična želatina
- glede na njene lastnosti se približa gostoti človeškega tkiva
- je stabilna pri sobni temperaturi
- mogoče jo je reciklirati - mogoče preiskave večkrat ponoviti brez izgube kakovost
- višji stroški od doma izdelane želatine
Nadomestki tkiva na osnovi
magnezijevega silikata
- temperaturna stabilnost (tkivni nadomestki stabilni od 0 do 100° C)
- odpornost proti mikrobom - sposobnost obnovitve po postopkih biopsij z iglo
- čas priprave
Nadomestki tkiva na osnovi oljnega gela
- hitrost zvoka in atenuacija se linearno povečujeta z deležem propilen glikola
- odpornost proti mikrobom
- visoka hitrost zvoka (1659 m/s), gostota (1100 kg/m3) in nizka atenuacija
Nadomestki tkiva na osnovi polivinil alkohola
- visoka strukturna togost, - neomejena dolga življenjska doba,
- so poceni
- čas priprave zahteva več 12- urnih ciklov zamrzovanja in odtaljevanja
- zahteva po natančnem uravnavanju temperature
38
4.3.1 Voda in ultrazvočni geli
Voda in ultrazvočni geli na vodni osnovi so najpreprostejši nadomestki tkiva, pri čemer se voda uporablja kot nadomestek tkiva za medicinske ultrazvočne meritve in kalibracijo že od zgodnjih dni medicinskega ultrazvoka. Znano je, da so voda in materiali na vodni osnovi močno odvisni od temperature, saj se hitrost zvoka v vodi spreminja do 50 m/s v temperaturnem območju med 20–40° C (Culjat et al., 2010). Na spodnji sliki (Slika 30) je prikazan primer vodnega fantoma, v katerega je potopljen model lumbosakralne hrbtenice.
Slika 30: Vodni fantom. (A) Model lumbosakralne hrbtenice, potopljen v vodo in prekrit z mrežico za simulacijo človeške kože. (B) Ultrazvočna slika lumbosakralne hrbtenice,
potopljene v vodo. Ehogenost ozadja je blizu nič (vir: Kim, 2016).
4.3.2 Tofu
Model tofu je preprost, poceni, prenosljiv in spremenljiv. Začetnikom omogoča, da vadijo lokalizacijo tarč in vodenje igle z uporabo ultrazvoka proti tarči. Vstaviti je mogoče tarčne strukture, kot sta les in žica. Poudarek tega modela ni na spretnosti anatomskega prepoznavanja, temveč na pridobivanju tehničnih veščin, potrebnih za usmerjanje igle proti določeni tarči, kar potrjujejo tako ultrazvočna slika kot občutek, kako igla stika s tarčo (Slika 31) (Sultan et al., 2013).
Slika 31: Model tofu, kjer sta pravokotno skozi usmerjeni dve leseni palici, ki odražata živec (*) in žilo (**) (vir: Johnson et al.,2014).
4.3.3 Živalski modeli
Za modele fantomov se lahko uporabijo prašičje tkivo, goveje tkivo, puranje prsi in druga živalska tkiva. Puranje prsi z vstavljenimi olivami so pogosto fantom izbire, saj so realni in poceni. Oblika olive je podobna leziji v dojki in je tako idealen nadomestek. Notranjost olive predstavlja hipoehogeno območje, ki je koristna za izvajanje biopsij (Slika 32). Dokazano je, da ti fantomski modeli izboljšujejo natančnost, varnost in samozavest ultrazvočno vodenih biopsij (Gresens et al., 2012).
Slika 32: Primer modela pečenke z vstavljeno olivo (vir: Gresens et al., 2012).
